06 Jun Abstimmbarer Licht-Mikrowellen-Wandler photonisch integriert
Nichtlineare optoelektronische Systeme auf Halbleiterbasis – also Bauelemente, die Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln können oder umgekehrt – sind besonders für mögliche Anwendungen in integrierten photonischen Bauelementen interessant. Forschende des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI), Berlin, haben nun gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des argentinischen Centro Atómico Bariloche und Instituto Balseiro (CAB-IB) einen On-Chip-Festkörper-Zeitkristall entwickelt, der als Frequenzwandler dienen könnte.
Zeitliche statt Gitterperiodizität
Während herkömmliche Kristalle aus einer periodischen Gitterstruktur bestehen, sind Zeitkristalle Vielteilchensysteme, die aus Teilchen und Quasiteilchen wie Exzitonen, Photonen und Polaritonen zusammengesetzt sind und sich periodisch in der Zeit verändern und somit oszillieren. Nun berichten die Forschenden erstmals von einem Zeitkristall in Mikrogröße auf einem Halbleiterchip, der bei Anregung mit einem Dauerstrich-Nahinfrarotlaser mit GHz-Frequenzen schwingt. Die Forscher fanden nach eigenen Angaben außerdem heraus, dass die Oszillation durch die optische Leistung des Lasers abgestimmt werden kann. Zudem lässt sich die Frequenz laut den Forschenden durch die 20-GHz-Gitterschwingungen des Halbleiter-Atomgitters stabilisieren. In Übereinstimmung mit ihrer Theorie zeigten sie, dass die Teilchen bei einer weiteren Erhöhung der Laserleistung genau mit der halben Frequenz der mechanischen Schwingungen vibrierten.
Festkörper-Quantentopf
Die am PDI entworfene und hergestellte Probe wurde durch Aufeinanderschichten atomdicker Schichten aus Halbleitermaterialien unter Ultrahochvakuumbedingungen hergestellt und bildete schließlich eine mikrometergroße Quantenbox, die Millionen von Quantenpartikeln einfängt. Getestet wurde das Bauelement dann am CAB-IB.
Licht-Mikrowellen-Wandler
Anwendungen sehen die Forscherteams in der integrierten und Mikrowellen-Photonik. „Aufgrund der polaritonenverstärkten Kopplung zwischen GHz-Phononen und Nahinfrarot-Photonen haben die Ergebnisse das Potenzial für Anwendungen bei der (Quanten-) Umwandlung zwischen Mikrowellen und optischen Frequenzen“, so Paulo Ventura Santos, leitender Wissenschaftler am PDI.
Alejandro Fainstein, Professor und Leiter des CAB-IB-Teams, fasst zusammen: „Da es sich bei den beteiligten Materialien um Halbleiter handelt, die mit integrierten photonischen Bauelementen kompatibel sind, und die Frequenzen sowohl für klassische als auch für Quanteninformationstechnologien relevant sind, werden wir versuchen, dieses Verhalten für Anwendungen zu kontrollieren, einschließlich der Umwandlung von Photonen in Funkfrequenzen auf Quantenebene.“
Originalpublikation:
[Solid-state continuous time crystal in a polariton condensate with a built-in mechanical clock, I. Carraro-Haddad, D. L. Chafatinos, A. S. Kuznetsov, I. A. Papuccio-Fernandez, A. A. Reynoso, A. Bruchhausen, K. Biermann, P. V. Santos, G. Usaj, and A. Fainstein, Science, Vol 384, Issue 6, 2024, DOI: 10.1126/science.adn7087]
Quelle und Bild: www.pdi-berlin.de
